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1、盾构施工盾尾空隙二次注浆控制地表沉降研究 浙江大学硕士学位论文盾构施工盾尾空隙二次注浆控制地表沉降研究姓名:安妮申请学位级别:硕士专业:海洋建筑物与环境指导教师:孙红月2013-03-03摘要在现代的地铁施工中,盾构施工方法已经得到了广泛的应用。但在施工过程中,地铁建设的施工往往会造成地表变形,影响现有的既有建筑物、市政系统管道等地下设施的正常使用。根据地表沉降的观测曲线可得,沉降过程总共经历五个阶段,分别是先期沉降、开挖面前部下沉、通过时下沉、盾尾造成的下沉、后续下沉。其中第四阶段造成的沉降影响显得十分突出。一般情况下,施工中会采用同步壁后注浆的方式来减小盾尾空隙的存在而引起的地表沉降.实际
2、情况表明,盾尾空隙很难完整的被浆液所充填,因而会导致隧道周边的土体向盾尾空隙方向发生移动,从而造成地层损失,引起地表沉降。因此,为填充盾构施工盾尾空隙所进行的注浆过程需要进行进一步的研究,其对于控制地表沉降的规律也具有极为重要的理论和现实意义。国内外研究人员采用许多研究方法针对盾构施工引起地表变形的规律做了分析,主要有基础的理论计算方法、数值模拟分析法、物理模型试验法三种,然而很多国内外学者将研究重点放在地表沉降的规律研究上。对于填充盾尾空隙的注浆工艺的研究也侧重于同步注浆。本文总结了前人对于盾构施工中注浆技术的研究,由于现代盾构施工中同步注浆的应用十分广泛,且对于地表沉降的控制确实起到了关键
3、作用,但是在实际施工过程中还是会出现注浆不合理导致地面沉降的情况发生,因此二次注浆的应用被提出,并在不少工程中进行推广应用。现有阶段的二次注浆主要是作为一种后期的补救措施,相关研究侧重点在于二次浆液的工艺分析,对于其作用的机理分析较少,因此本文对于壁后二次注浆技术控制地表沉降的应用进行了较为全面的研究分析。在本文中,通过分析注浆技术有效控制地表沉降的机理,并展开了注浆效果的定性物理模型试验,得出了二次注浆施工的必要性和侧重点。因此,重点从二次注浆材料和二次注浆位置对于二次注浆技术展开了研究。最后,本文综合采用有限差分数值分析软件/有限元软件模拟了二次注浆技术的模拟,结合某地铁工程实例的实测数据
4、,验证了模拟结果的合理性。依据此数值模型,得出了不同二次注浆材料、注浆位置、注浆间距对于控制地表沉降的不同效果。本文通过对于盾构施工中注浆技术的研究,提出二次注浆的合理性,并采用了数值模拟进行分析,为实际施工中的注浆提供一定的理论依据。关键词:盾构施工;地表沉降;同步注浆;二次注浆;/. , , 、.: , ,., ,., .,.,:、 .,. ,.,.,? ., , ./. , ., . .; ; ;:?;/致谢毕业在即,在求是园度过了两年半的求学时光后,此时最想感谢的是我的导师一孙红月副教授。不论是学业上的悉心教诲还是生活上的细致关怀,学生满怀感激。此外,衷心感谢课题组的尚岳全教授、赵字老
5、师、吕庆老师等,感谢各位老师在我攻读硕士研究生期间给予我无私的指导和帮助,你们的指导让我科研的路途上充满了动力。对于浙江科技学院的杨建辉教授和浙江省大成建设集团有限公司要表示特别的谢意,感激他们对于论文中的实验所提供的无私支持和帮助,帮助我完成硕士期间的工作。在此对同课题组的各位师兄弟妹一并表示最诚挚的谢意。同时,要特别感谢父母多年的养育之恩,姐姐的不断关怀,他们是我一路上最坚守的观众,他们的关心鼓励让我度过很多低潮,勇敢的面对生活中和学习中各种挑战,是我完成学业过程中的坚强后盾。本文只是抛砖引玉,引用了众多学者的科研成果,学习过程中亦收获颇多。在此对于各位学者表示致谢,引用之处如有不合理之处
6、,还请各位批评指正.安妮于浙江大学求是园.逝延太堂亟堂位论塞缝金绪论.背景世纪以来,全球各城市发展的脚步逐渐加快。城镇人口不断增加,地表建筑也不断增加,但是可利用的地表空间越来越少,于是地下空间的开发成为一种趋势。但是,地下空间中各种市政管线设施较多,如何有效的开发地下空间十分重要。中国不少沿海及主要城市已经开始了大规模开发地下空间的工程建设。准确的说,地下空间的开发包含地下交通系统的开发如地铁工程、地下道路系统、地下停车场,地下公用设施系统的安排如地下城市供排水管道、地下供电和通信电缆通道、地下天然气管道等。地铁建设是世纪以来城市地下空间开发的重点领域。国内北京、广州、上海、深圳、南京、昆明
7、等众多城市地铁已全部或部分通车运营,还有很多城市正在建设过程和筹备过程中。地铁中区间隧道的施工方法主要有:盾构法、新奥法、明挖顺作法、盖挖逆作法等。城市环境中建筑、公用设施和交通管线日趋繁杂,盾构法有巨大的优势,能够同时保证施工安全性和便捷性。此外,由于机械自动化作业,大幅减小了人工劳动强度。同时,对于地面交通与建筑,以及地下管线施工等影响较小。尤其是在特殊软弱地层中的长深隧道施工时具有操作和经济方面的优越性。在地下隧道工程施工中,盾构技术具有其特别的优势。然而,在施工过程中也存在不少的工程问题,由于多方面因素会引起不同程度的地面沉降,而这与盾构机械功能、盾构施工操作过程、施工地层条件等诸多因
8、素相关.由此会造成地面变形、影响已有的建筑物和城市道路,以及地下预埋管道线路的非正常使用甚至破坏。针对这项重大的工程问题,前人已做过多方面的研究,从盾构机的施工方式到其对于地表沉降影响的机理,再到相应的控制地表沉降的措施。但是,由于影响地表沉降的因素众多,针对与盾构法隧道施工和施工过程中控制地表沉降的注浆措施仍有待于开展进一步的研作。.国内外研究现状与成果.盾构机施工对沉降影响的研究现状关于盾构施工的研究,主要有以下几个方面:盾构机自身的研究,如自身掘进方式、管片拼接及受力等。其次是盾构机与周边土体的相互作用,目的是为了研究开挖稳定和控制沉降,如开挖面的支护压力、盾尾注浆情况等。由于控制沉降是
9、本文研究的重点所在,因此主要介绍前人对于盾构施工过程中控制沉降所做的工作及研究进展。目前研究地面沉降的方法主要有理论计算方法、数值分析法、物理模型试验法理论计算方法地面横向沉降预测最常用的计算公式是由【】年根据大量的实际工程地面沉降数据总结提出了经验公式?,.印一嘉矿赢焘。? ?厄一詈扛码式中:,:横断面地表沉降值;圪:单位长度的土层损失量/;堑延太堂亟堂位金塞.缝金巧:地层的体积损失率%,取决于土层性质、隧道埋深深度、超挖情况等因素。:距离隧道中心线的值;趾:地面最大沉降量;:沉降槽的宽度系数,指的是正态分布曲线的反弯点到隧道中心线的距离;:隧道轴线埋深;中:土的内摩擦角。公式将隧道上方的地
10、表沉降曲线用误差函数曲线近似的表达出来,得到了广泛的应用。后人在其理论基础上进行了深一步的研究探索。针对值,不同学者根据不同土质条件等因素对其进行了修正,也有学者提出自己的地表沉降预测公式。详见表.表.学者年份地表沉降槽宽度系数修正公式 考虑因素及适用条件针对值的不同修正公式】 适用于饱和含水塑性去囔粘土中一隧道轴线埋深;尺一隧道半径一隧道轴线埋深;等 】七五”一隧道直径;、刀一与土层参数、逝琶盔堂亟.堂位金塞缝盆地质条件有关的系数可查表 】 伦敦地区,单一土层,气分别为沉降槽宽度参数和隧道轴线埋深等 【 适用于软粘土?,分别为隧道轴线.一/彤一埋深和平面距地表以下深度值是随埋深变化的一个参数
11、姜忻良等】,分别为隧道轴线巾卜/埋深和平面距地表以七一五”下深度璩继立 上海地层,采用数学拟:.合方法其余学者提出的独立的地面沉降预测公式是地表的体积空】隙损失率,是隧道,】【】【疋凳:刍:的埋深针对可压缩土壤删?”,赤抛等着堑琶太堂亟堂位金塞 缝金彳?.一】弘币写厨?一疋十赤丽?【】直 隧道半径】舭科一南卜矧径向应变相对椭圆度地面纵向沉降预测不少学者也做过关于地面沿盾构前进方向即纵向沉降预测的研究,详见表。表纵向地表沉降公式 考虑因素及适用条学者年份件上海地质条件刘建航【】击柠一俘去睁一例 粘土地层条件下击毒俘一俘荆去母堑堑太堂亟主堂僮金塞 缝金是地表的体积空隙损失率,是隧道,】删互吼 :,
12、铲【】的埋深.】 土压平衡盾构施工,趾而呈双曲线型随机介质理论施成华【,和,为地形伍,形伍,】,日伍,表纵向沉降值与隆起值数值分析法由于注浆机理的复杂性和难控制性,运用数值方法进行预测是一种高效便捷,获得广泛应用的研究方法,也在不少实际工程的应用中得到了验证。,【 ,【】首次引入问隙参数的概念,分析了隧道土体的弹性模量、注浆压力等各因素对平面分析结果的影响。,】【】根据多项工程实例,分析现场数据后,提出了一种接近于盾构隧道开挖实际工况的三维弹塑性有限元模拟方法,并提出了一种合理的土体拟合本构模型。并基于之前的三维弹塑性有限元分析结果,模拟得出了盾构隧道开挖顶部土层的竖向位移情况.【运用有限元方
13、法分析了盾构开挖过程中引起地表沉降的各种因素,并进行了敏感性对比。通过比较发现,隧道的埋深因素对地表沉降的影响较大。等通过对比五种经验地表沉降预测公式,并采用三种土体模型弹性模型、摩尔.库伦模型、修正剑桥模型,结合实际施工监测得到的马德里铁路沿线五个不同测点的数据,对比分析了不同方法适用的不同情况。堑匹态芏麴土星僮塞缝论王敏强等【在有限元分析中利用刚度迁移法模拟盾构施工的开挖过程,总结了由于盾构开挖引起的地表变形规律。张云等】根据盾尾出现空洞的情况,将注浆后浆液与土体相互作用的范围以及土体受到扰动的情况统一概化为均匀厚度的圆环形等代层的概念,进行了地表位移对等代层参数的敏感性因素分析。提出在盾
14、构推进时,尽量减小超挖和对周围地层的扰动对于控制地表沉降是必要的。于宁等【】根据盾构隧道施工过程中不同的阶段,采用特殊拟合的有限元法,对于盾构施工引起地表变形以及对临近建筑物基础产生的影响进行了系统分析。河海大学独立开发了三维非线性有限元程序.,张海波等人在此基础上对于盾构施工过程中地层变位进行了三维有限元模拟,得到了合理的沉降分布【。朱伟等并用/有限元软件分析了在砂土地层中土压平衡式盾构施工时开挖面的支护压力不足时造成的开挖面土体变形规律。陈宇等依托上海地铁中双圆盾构区间隧道工程,分析了盾构施工过程中超孔隙水压力的特征,并与实地监测结果进行了对比验证了模拟的合理性。王明年等利用颗粒离散元数值
15、模拟方法,对盾构施工过程中开挖面的破坏问题进行了分析研究。黎春林以无锡地铁号线区间隧道工程为背景,利用有限元数值分析模拟了盾构开挖时引起的超孔隙水压力消散引起的后续固结对地层变形的影响规律。物理模型试验法除了理论分析和数值模拟方法外,物理模型实验法是研究盾构隧道施工的重要方法之一,根据相似理论原理,选择与实际情况相似的材料来设定合理尺寸的物理模型.通过相似模型试验来模拟分析盾构隧道施工过程中围岩、管片结构的逝堑太芏亟堂位盆塞缝金受力和地层变形等问题。物理模型实验的优点是可以发现一些未知的实际现象和可能存在的规律,并为试图提出的计算理论和数学模拟结果提供重要的论证基础。现如今有大量学者通过物理模
16、型试验来分析盾构施工引起的地表沉降机理,有离心模型试验、常规物理模型试验、现场原位试验等,主要研究如下:建立软土中隧道的离心模型,研究了在盾构开挖过程中施加于开挖面的支护压力对地表变形的影响规律。【展开了砂土和粘土中隧道的离心模型试验,分析了盾构隧道在掘进过程中开挖面的稳定性。等【荆用在砂土条件下的盾构隧道物理模型,模拟分析了盾构推进过程中所引起的地层损失。等【利用离心模型试验发现了在盾构逐步向前推进过程中不同深度水平地面所对应的地层沉降规律。周小文和濮家骝【通过建立砂土中盾构隧道在的离心模型试验,展开了地面沉降槽的形态分析。余峰【利用双孔盾构隧道的离心模型试验,对盾构隧道中不同相对位置的情况
17、进行了研究,得出了不同埋深时所对应的地表位移和衬砌内力的分布规律。朱合华等【在软硬程度不同的土层中展开盾构开挖的模型试验,总结了不同情况下的沉降规律。李君、陈仁朋等【进行了大尺寸的物理模型试验,研究了干砂地层中开挖面支护力与地表沉降之间的关系。凌昊等建立离心模型试验,用以模拟双孔盾构隧道的施工情况,研究了衬砌结构内力随着两隧道相对位置不同的变化规律。王俊淞等 以上海某大直径越江隧道工程实例为背景,建立模型试堑堑太堂亟堂位金塞 缝论验,分析了双层衬砌与单层衬砌的长期变形特征和区别。刘纪峰等【】【运用物理模型试验方法,研究了盾构隧道施工中不同隧道埋深、支护压力和掘进速度对地表沉降值的影响规律。孙吉
18、主利用澳化钙水溶液和熔融石英制成透明土材料,通过盾构掘进模型试验系统研究了土体内部的变形机理。.盾构壁后注浆工艺研究进展综上所述,国内外众多学者】指出,盾构法在施工过程中引起地面变形的主要原因是地层损失、土层由于扰动而导致应力状态的改变、管片衬砌结构的变形,土体的固结情况和次固结作用等。其中,注浆因素的作用不可忽视,它对于其他几个因素都有重要的影响。本文的主要研究内容则是针对注浆展开的,前人已经针对注浆工艺及其影响也做过不少的研究.盾尾空隙和现有的盾尾同步注浆及管片注浆如图.中、所示。”盾尾操作空阁?一之管片 钢竞厚篇三:宇罢曼三一空隙屠构钢壳浆体及时注浆同步与及时注浆图.盾构注浆图.注浆工艺
19、研究进展同步注浆逝堑太堂亟堂位论奎缝金盾尾同步注浆浆液的研究发展可分为两大主流:一支是采用双液浆,在日美等国较为常见;另一支主要采用惰性浆液,在英德法等欧洲国家多见。在我国施工中,多种类型的浆液均有使用。祝龙根等】在综合考虑同步注浆浆液的物理力学性质及施工时浆液的流动性,为上海地铁的施工专门研制了特定的浆液配方。通过物理模型试验及浆液配比试验等,研究了砂、粉煤灰和粘土及水不同添加量对于对配置浆液性能的影响。葛家良、陆士良【删通过注浆模拟试验,分析了浆液材料的微观特征、浆液中水泥与粉煤灰不同配比、注浆压力等因素对注浆量、浆液的扩散半径和浆液后期强度的影响规律,总结出对于注浆量、浆液扩散半径、结石
20、体强度以及注浆效果的首要影响因素是注浆材料的结构特征,其次是浆液水灰比和施工时采用的注浆压力。张海涛等【】在上海市某越江隧道工程建设中针对泥水平衡盾构研制了的特定的单液惰性浆液。通过室内试验测定了单液浆的密度、坍落度、单轴强度、值、凝结时间等力学性质指标,同时也对浆液的抗冲刷性能、注浆管易清洗性能等工程指标进行评判。宋天田等【采用理论计算分析方法,对于注浆过程中的注浆压力和注浆量进行研究。得到了了合理的注浆压力的计算方法,注浆量与浆液的填充率、前进速度的关系,及注浆压力及注浆量的量化方法。二次注浆在同步注浆之外,根据日本盾构新技术【】一书中提到同步注浆效果不能达到施工要求时,需要进行二次注浆进
21、行补注.一般在作为应急措施,主要是控制突发的地表沉降、纠偏以及控制上浮。根据盾构隧道规范中对于二次注浆的规定及说明,二次注浆目的是:补充同步注浆的未填充区域补充注浆材料由于自身收缩或者流失而导致的体积减少部分堑垄态芏亟主芏位监塞缝纶对于盾构推力形成的,在管片、注浆材料、周边土体之间产生的空隙进行填充并保证紧实.改善衬砌的防水效果壁后注浆的效果具有防止周边围岩松弛和把千斤顶推力传递到围岩的作用。注浆不足导致地面下沉的主要原因一方面是因为注浆也是一种主要的止水措施。如果注浆不足,管片漏水明显,不仅隧道不能使用,并且会导致上部土层的地下水位下降,地基内有效应力增加,土体进行重新固结从而产生沉降.另一
22、方面,由于存在地下水流动,地基土颗粒会受水流冲刷,土体颗粒间的空隙减小进一步压实,导致地基沉降。因此必须通过二次注浆保证充分填充空隙。李科等【在对于双液浆强度及其应力应变特性三轴试验的研究中,提出水泥水玻璃的配比存在一个“最佳值”,但未涉及更重要的凝胶时间和凝结强度.陆兆阳掣进行双液浆中有关水灰比、水玻璃浓度、水泥浆.水玻璃体积比的试验,但并未采用地下工程现场更为常用的.水泥进行试验,且水泥浆.水玻璃配比较少。李围等采用梁.弹簧模型模拟盾构隧道管片衬砌结构,对于注浆孔的布置、充填空隙的长度和注浆压力进行了力学分析,得出不对称注浆对管片结构的受力最不利。杨江朋【】根据现场施工经验总结得出由于刀盘
23、开挖直径与盾构管片外径之间存在空隙,此外受地质条件、地下水、隧道埋深、开挖模式等各项因素的影响,易造成土层变形、管片错台、隧道渗水等施工问题,提出对管片背后的空隙选择合理的注浆技术进行充填的必要性。魏纲等【】主要研究注浆过程中压力大小、注浆量和使用浆液对于周边土体的影响,包括对地层的劈裂影响,以及注浆量浆液填充率、注浆速度之间的关系等。何齐海通过地铁盾构法隧道二次注浆工程实例,从各个方面适用范围、技术标准、浆液配比、注浆压力、注浆量、注浆顺序和质量控制等详堑态芏丝土芏位盆塞 缝金细介绍了深圳地铁工程中盾构法施工所采用的二次注浆施工技术,汇总了技术措施的工程经验。.注浆过程及效果分析针对盾尾注浆
24、过程及其注浆效果,前人也对此做了不少研究。黄宏伟等【】首次利用探地雷达的监测技术手段,对上海某盾构隧道盾尾壁后注浆的分布情况进行试验。结果分析表明,利用该技术手段可有效的探测到衬砌背后的浆液分布情况,为管片纵向力学变形形态以及控制提供一定的理论依据。.总结了常用的地面监测方法,监测中遇到的困难,预测的方法,以及变形测量在前期阶段的应用选择开挖方式和支护结构的应用、早期预报等。并在伦敦市中心地区的延线、希腊地铁、号线、雅典的 铁路中进行对比验证。等,【】【】【删提出了在软土中进行三维有限元模拟的一种方法,并运用此分析方法模拟开挖面支护压力和注浆压力以及盾构机的各项参数对于地面沉降、盾构管片受力情
25、况的影响,为盾构机施工过程提出了合理的参数选取建议。在后续的研究中,进一步分析了土与注浆材料、上覆土厚度对于地表沉降、盾构管片和掘进面的承载与变形情况的影响.其中,对于土体采用弹塑性剑桥模型,浆液材料采用了流体独立基本模型,与测试数据拟合后,说明采用这种方法能够有效模拟盾构施工的复杂过程。杜军等利用雷达技术,提出了注浆材料的介电常数在雷达图像中进行识别的方法。并结合某实际工程,验证了雷达技术在注浆效果检测的初步应用。邹金锋等从能量的角度对于注浆过程进行理论分析并求解。将整个注浆过程视为无限土体中的圆孔扩张问题。根据能耗区土体在注浆压力和静止土压力作用下的应力应变关系以及体变关系、注浆扩孔过程中
26、的能量和体变守恒原理计算出压密注浆的极限注浆压力的理论值。结论显示理论值的计算结果与堑婆态芏亟主芏位监塞 缝盆工程实测结果较为一致,并且球形扩孔的注浆压力比柱形扩孔的注浆压力要更小,进一步验证了理论解的真实性。韩月旺等通过自发研制壁后注浆单元体模型设备,研究不同的注浆压力、注浆材料及周边土层条件对注浆体变形及注浆压力消散的影响规律.注浆压力越大会使围岩的应力释放率越小,浆体的排水速率增大。在砂性土地层和粘性地层中,前者的浆体变形和浆体压力消散较快,因此土质条件对于地层位移和围岩应力释放的影响不可忽略。王汉鹏等【在岩石试件单轴压缩破裂的基础上,进一步开展了峰后注浆加固试件的力学特性试验研究。同一
27、浆液加固不同的岩石,被加固体本身的强度越高注浆加固体的强度提高越高。同样的岩石注入不同浆液,浆液的粘结强度越高注浆后的强度就越高。试验结果验证了岩石注浆加固是加固围岩非常有效的方法。叶飞等引入牛顿流体的概念来模拟注浆浆液,通过等效孔隙率来简化对于盾尾空隙的计算,对盾尾注浆和管片注浆两种不同情形下的浆液扩散范围及注浆浆液对管片产生的压力进行了理论推导,得到了相应的管片压力计算公式。韩日美等【】以管片向土层传递的约束反力与土层初始应力的差值来定义描述盾尾的注浆填充效果,并采用二维有限元软件来模拟盾构盾尾注浆对控制地表沉降的效果影响,并依据此进行地表沉降的理论预测.数值模拟结果表明,注浆作用能有效控
28、制地表沉降。目前,对壁后注浆机理的研究主要侧重于数值模拟,利用新技术如探地雷达等探测模型试验进行研究,探测隧道管片壁后注浆层的分布范围和厚度的现场研究并不多。通过现场实测结合室内管片壁后注浆体模拟结果进行对比分析,可以确定隧道管片壁后注浆层的分布范围和大致的厚度.本文研究思路目前国内外许多学者对盾构隧道壁后注浆机理及其对地表沉降影响进行了堑匹态望熊堂位监塞缝金大量研究,由于盾构施工中壁后注浆本身具有独有的特点:建筑间隙的存在和位置大小的不确定性,同步或者二次注浆施工工艺的不同和注浆材料的多样化等,造成盾构管片壁后注浆不同于一般的岩土工程中的加固注浆。而且,由于盾尾脱空、注浆中的延迟、注浆材料在
29、管片背面沿环向和纵向分布情况等因素对隧道横纵向沉降的影响十分复杂,导致对于壁后注浆的研究机理不够全面。对于注浆体分析时常用的假设方法主要有三种:完全填充空隙、不填充、部分填充注浆体厚度进行折减,其厚度小于盾尾空隙。这三种方法都是在概念上将注浆体作为一个等代层进行处理。实际中在松软的地层中,注浆浆液会渗入并与周围土体相互作用形成加固层,因此实际注浆量往往超出盾尾空隙值。在注浆过程中浆液的强度也随着时间逐渐增强,因此深一步的研究需要将它们进行综合考虑。从现有的研究进展看来,同步注浆应用广泛,且对于地表沉降的控制起关键作用,但是往往在实际施工过程中还是会出现注浆不合理导致地面沉降的情况发生,因此二次
30、注浆的应用被提出,并在不少工程中进行推广应用。现有阶段的二次注浆主要是作为一种后期的补救措施,相关研究侧重点在于二次浆液的材料分析,对于其作用的机理分析较少,因此本文对于壁后注浆中的二次浆液有效控制地表沉降的应用从以下几个方面进行了较为全面的分析。由于盾构机的特殊构造,造成盾尾空隙的出现,所以必须进行注浆,防止出现过大的地表沉降对地面建筑或者地下预埋管道造成影响的工程事故.通过对现有阶段的研究进展进行归纳总结,在影响地表沉降的众多因素中,注浆技术对于控制地表沉降的效果显著.进一步分析现有阶段对于盾构施工中注浆技术的研究,发现现阶段研究中的同步注浆的一些不足,并提出二次注浆进行深一步研究的必要性
31、。通过分析地表沉降的不同影响因素,得出理论上注浆过程对于地面沉降的主要影响因素,表现在注浆材料、注浆压力、与土体相互作用等各个方面。探索注浆过程的机理,并对盾构施工中注浆过程控制地表沉降进行理论分析。为了初步探究在盾构施工过程中同步注浆浆液和二次注浆浆液应用的逝堑太堂亟主堂位逾塞.缝金基本情况,进行物理模型试验,初步探究实际中的注浆规律及缺陷。从二次注浆浆液材料和填充空隙两方面进行了更为细致的研究。对于二次注浆浆液材料的配比、影响因素等进行了基本的特性试验研究。总结了空隙存在的情况,并提出了合理的填充方式。结合某盾构施工过程实测的沉降数据,运用/数值模拟软件分析了不同二次注浆参数对于地面沉降的
32、影响效果。此外,运用实测地面沉降数据进行验证,说明二次注浆的有效性。盾构施工中注浆过程控制地表沉降的理论分析总结现有的隧道施工观测情况,地表沉降主要经历如下五个阶段:隆起下沉图盾构施工推进引起地层变形过程第一阶段和第二阶段的沉降在实测中不易区分,统一归结为先期沉降,盾构机的推进对前方土体的挤压会造成隆起,但是,多数情况下,由于开挖面的取土是开挖面出现不平衡,往往会造成前方土体的沉降。第三阶段则是盾构机通过断面时出现的沉降,产生这部分沉降的原因主要是盾壳对土体的摩擦力,破坏了土体的结构强度,另外超挖及盾构姿态的非水平向也加剧了地层变化,出现沉降。第四阶段是在盾构机尾部脱离时出现,指盾尾空隙形成至
33、注浆结束为止的那段时间内的下沉或隆起。管片从盾尾脱离之前,盾壳对土体有一约束力,方向指向土体,一旦盾尾脱离,盾构机壳土体之间产生空隙,如果在盾构脱离后未能及时注浆或填充率不足,则空隙断面就会向内缩小,引起应力释放力,产生地表沉降,相反,如果注浆压力过大,则会导致地表隆起。第五阶段则是后期沉降,主要是从注浆结束开始,直到下沉停止的地层下沉,引起这部分沉降的原因,主要是固结变形与蠕变变形,在软粘土地基表现比较明逝匹态芏亟主堂僮金塞 厦控墟王卫匡丞过程墼劁挫丞远隆盟垄监筮逝显。因此由图可得,第四阶段对于地表沉降的影响较大,对于注浆技术的研究显得十分重要。.浆体自身的变形在盾构施工中,管片背部的空隙需
34、要进行及时填充,以达到有效控制地面沉降的效果。盾尾空隙大小和壁后注浆体自身的应力应变状态变化对于地层位移的影响十分重要。但是管片背部的浆液扩散过程及注浆效果难以控制,不方便监测。因此对于注浆浆液自身的力学性质研究是十分必要的。图浆体变形特征曲线图浆体变形的基本模型韩月旺等人为研究注浆填充空隙完成后浆液自身的变形情况以及浆体压力的消散规律,设计了独立的壁后注浆单元试验模型,通过分析不同土层条件下,不同注浆压力、注浆材料对于浆体变形及浆体压力消散的影响规律。得出如下结论图.和图.:从浆液变形特征曲线图.可以看出,浆体变形最终会达到稳定。在不同应力水平下,会产生增长速率不同的应变曲线。其收缩过程也不
35、相同,最后达到稳定后的浆体密实度也有所不同。浆液在填充盾尾空隙的过程中,注浆压力一般小于浆体自身的屈服应力,浆体不会发生屈服变形。因此浆体在整个变形过程中没有发生塑性变形,对于其中的稳态变形阶段,可以看作是简单的弹性变形。逝堑盔兰亟拦僮途塞厦控旌王生洼邃过程控制丝麦远隆数垄金筮扭针对不同压力下的浆液变形,提出了浆液的体积收缩模型,其浆体的变形特征曲线如图?,浆体变形的基本假定模型如图所示,用公式.表示。占占。一一肛盯”也 一式中:占为模型任意时刻对应的应变值,乞为最后稳定应变状态时的应变,为时间,为模型参数。:旦假定浆体处于弹性变形阶段,浆体的弹性模量可以表述为 占,但这里发生的应变并不是只是
36、因为浆体自身被压缩而形成的,而是由于浆体中的水分渗出而出现的变形,因此可以修正弹性模量为置三南 占【?”.浆体与土体的相互作用浆液扩散是一个很复杂的过程,与周围土质、施工工艺、浆液性质、注浆压力、地下水等多种因素有关,各种扩散方式并无明显界线,而且相互包容、相互参杂、相互转化。如在充填注浆过程中存在渗透现象,在渗透注浆过程中存在劈裂现象,在劈裂注浆过程中存在渗透流动,在压密注浆过程中存在劈裂或渗透流动等。在研究过程中,对于浆液的扩散过程进行简化,概化为以下四个阶段.充填阶段注浆初期,浆液充填在注浆施工时本身就存在的盾尾间隙,此部分还未被周围土体挤压填实。在盾构管片脱离盾尾后,周围土体会马上向管
37、片方向移动,进堑堑态兰亟堂僮金塞 厦控旌王主洼鏊过揖撞劐地蠢远隆数理金盆蚯行填充。实际上,浆液的填充范围与土体的位移量大小有关,土体位移量越大,说明浆液可充填范围就越小,反之,浆液需要填充范围就大。此外,浆液的充填范围也与注浆的压力大小及浆液材料的流动性有关。注浆压力大、浆液流动性好,充填范围就大。在实际注浆施工中,要明确定浆液充填范围很难实现。依据土层条件和施工机械导致的土体扰动,盾尾间隙的存在状态有所不同,可能是完整的圆环,也可能只是局部的空洞,或者完全被周围土体填充,充填阶段的示意图如图.所示,部分情况下会跨越此阶段,直接到渗透阶段。隙图?浆液扩散的充填阶段渗透阶段在颗粒和孔隙率较大的砂
38、性土中经常会发生渗透现象。在浆液填充空隙的过程中,浆液置换掉土体颗粒间的空气和水,即进入渗透阶段如图。但是对于采用点注浆使用注浆管的情况,浆液通常以呈球面和柱面的两种方式进行扩散,特别是在花管式分段注浆中多常见柱面扩散如图。逝堑左堂亟堂僮金塞厦控旌王虫洼苤过程蕉剑垫塞远隆的垄金筮逝注浆浆液 注浆浆液二掣一/兮一豢甏辩嚣弦.划是托 ,删熏溅睨心漆:;孓磐 “球面扩散 .君二二二雌 撒图.浆液渗透示意图 图浆液的两种扩散形式压密阶段压密注浆的概念是指用较高的压力将浓度较大的浆液注入土层进行压密填充。此时,浆液在注浆出口底部土层附近形成“浆泡”,从而对附近的土体产生一定的压密作用。此现象常见于颗粒和
39、孔隙率较大的砂性土中,但是在某些施工土层中,如渗透性不好的粘性土,注浆过程会直接跨过渗透阶段,进入这一阶段.压密阶段。在注浆压力值大小确定的情况下,浆液的渗透扩散半径限定值。在一定的扩展半径处,注浆压力与地下水压力大小相同【。劈裂阶段劈裂注浆如图.所示,呈现不同阶段。首先浆液必须克服周围土体中的压力,在土体中形成新的裂隙,是浆液逐步的扩散,当压力再逐步增大时,浆液便逐步产生劈裂流动,使土体出现塑性变形,在周边土体中就形成了一定的超空隙水压区域。但是此区域的大小会因为浆液的自身密度大小不同而有所不同,详见图.,.?垂蠹枭、嘞产生曼靴姗区劈裂出现浆液的劈裂形式低密度浆液 浆液的劈裂形式高密度浆液图
40、.劈裂的出现及发展注浆压力的消散随着时间的增加,浆体的压力会逐渐消减至于周边的土压平衡。注浆压力等消散与周边土层条件和浆液自身性质有着密切关系。韩月旺【等人通过进行物理模型试验,研究不同施工条件与浆体变形以及压力消散情况的影响。实验结论得出了土层因素是导致的注浆压力消散过程出现差异的关键因素,不同土体中浆液压力的消散速率不同。在砂性土中和粘性土中,前者的消散速率很快,大致可在.内趋于稳定,而后者中压力消散速率相对而言则较慢,整个消散曲线较为缓和,需要.时间才能趋于稳定。浆液压力消散的同时,浆液在土体中形成固定的加固圈,而浆液的扩散半径在不同的土层条件下有所不同,葛家良等建立了一个基本的浆液扩散
41、半径公式用以模拟浆液扩散的范围./?其中,.,./.,.,形/,.,.为负相关系数,.,./分别是模型吸水率、注浆压力浆液水灰比矿/的权重。盾构施工中二次注浆效果的物理实验研究.注浆材料的注浆效果定性分析通过模型试验,对于盾构施工过程中同步注浆浆液的扩散情况进行了初步探究,其对于注浆效果的定性分析所得结果可以归结为两个方面同步注浆的填充效果通过在模型箱中填满并压实配好的中砂,并注满水。将浆液不间断的注入模型箱圆桶的间隙中,直至完全充满间隙。注浆结束后将模型静置小时,观察到的结果是在模型籍正面固定注浆管一侧,注浆浆液有效地将预置的间隙填充完整,却在背面浆液填充部位的顶部出现了月牙形空隙。正反面的
42、注浆浆液情况分别如图.、所示。据量测的结果显示,空隙中部的高度最大,达。到了间隙总厚度的,约为正立面情况 背面顶部空隙图.注浆浆液静置小时后的情况图渗入深度此外,据观察注浆的浆液存在向周围土体内扩散的现象,如图.所示。据实际量测,最大的渗入深度达到了,但由于模型中只是采用外壁均匀布孔的方式来模拟实际情况,与实际有所偏差,在实际施工中,渗入数值应该会远大于这个值。具体情况应结合周边土层条件和注浆压力等进行判断。此现象说明在注浆施工中是存在注浆浆液渗入周边土体的现象的,浆液与周边土体的相互作用十分明显。二次注浆补注效果正立面情况顶部扩散图图.二次注浆体分布情况根据实际情况,从内筒内壁向上述月牙形空
43、隙内注入浆液。浆液主要由水泥、水玻璃、石膏组成,并向其中添加了红色颜料染料,以跟踪浆液的实际扩散情况。试验结束后,注浆的二次浆液充填情况如图.所示。为进一步观察二次注浆浆液的扩散情况,将模型拆开,可得二次注浆体的范围如图和所示,证明二次浆液将之前存在的空隙有效填充,其分布范围即是原月牙形空隙的范围。从图可估测月牙形范围占模型厚度的/左右逝堑太堂亟堂僮金塞厦控旌王虫三这洼邃筮星的趁堡塞验盈盔由此定性实验,我们可以初步的归纳出在注浆过程中存在的两个主要需要进行研究的方面:一是同步和二次注浆材料的性质决定了对于盾尾空隙的填充情况,二是同步注浆结束后产生的空隙情况决定了需要进行二次注浆的范围。因此本文
44、主要从这两个方面进行展开分析。.注浆材料的基本研究.注浆材料的基本特性研究.对于浆液的基本要求:根据以往的工程经验,在盾构施工中,需将进行浆液配制以满足特定的施工需求。在注浆过程中浆液会发生由液相到固相,再到结石体的形态转变,可以起到堵水和加固的作用。因此,正确地选定注浆材料十分重要,一般情况下应满足以下需求:室温常压下能长期保持自身性质,稳定性好。浆液自身的流动性及可注性应该比价好,能够根据施工现场的需求进行及时调整。材料自身具有较好的环保性能,无腐蚀性,并且易于清洗,不易对于环境产生污染等危害。浆液材料能够与周边的土体较好的粘结保证一定的强度,自身的体积不易收缩,可以防止地下水冲刷,抗老化
45、性能较好。在现有阶段的研究中要同时配制同时满足上述所有要求的浆液难以实现。往往需要根据具体情况选用最合适便捷的注浆材料。.浆液材料的分类:在当前的施工技术下,盾构注浆材料根据组成材料的配比情况主要有单液浆和双液浆两大类:单液浆逝丝太堂亟堂僮淦塞.蜃控旌王虫三达洼邃夔星盟趁墨塞坠匠宜单液浆的基本组成成分为粉煤灰、砂石、水泥、水,并添加一定种类的外加剂配制而成的。根据添加剂种类,是否添加水泥分为惰性浆液和硬性浆液,前者因为不添加水泥所以早期强度和后期强度都不高。但是其可注性能较好,施工可操作性强,很少会出现堵塞管路的施工口题。但固结过程容易出现离析现象,导致浆液的体积收缩。此现象在之前所做的模型试验中也得到了验证,如图.所示。因此,使用惰性浆液并不能达到较好的控制沉降效果。然而,水硬性浆液为改善此性